连续挤压接触线制造技术探究

武鸿亮

（中铁建电气化局集团康远新材料有限公司，江苏 无锡 214000）

在人民生活和社会经济的发展中，高铁有着不可取代的地位。铜合金接触线和承导线是电气化铁路接触网建设不可或缺的一部分，列车运行的电能通过受电弓、接触线及承力索不断传输获得。无氧铜因高纯度、防腐蚀、低电气阻抗的优点被应用于高速铁路接触线及承力索的生产，并在同轴射频电缆、干式变压器绕组等高端产品组件方面起到了十分重要的作用。铜合金接触线常见的生产方法有上引连铸法、连铸连轧法及连续挤压法[1，2]。其中连续挤压法在生产无氧铜杆时有耗能低、生产效率高、线材成品率高等特点，因此该工艺在接触线的生产中得到了广泛应用[5，6]。中铁建电气化局集团康远新材料有限公司是国内领先的专业生产电气化铁路用铜及铜合金接触线、承力索的高新技术型企业之一。公司拥有2条进口生产线，4条国产生产线，具有国际先进水平的熔炼炉、连续挤压机、多模拉制机、HMP轧机、二辊轧机、630型绞线机等大型生产设备。该公司在铜合金连铸上引、连续挤压、多模拉拔、多模拉丝等无氧铜深加工等技术方面有独特的优势，在我国铜合金线材生产及高铁事业发展方面有重大推动作用。文章现就该公司的连续挤压无氧铜杆制造技术应用问题进行探究。

1 连续挤压无氧铜熔炼技术

连续挤压无氧铜杆新技术生产中，必须对技术参数详细整理掌握，这样才能够为无氧铜杆生产做好准备，并且保证连续挤压无氧铜杆生产质量。上引连铸铜杆生产期间，铸造炉与牵引系统等均是重要组成，同时还需要收线装置的辅助。连续挤压无氧铜杆生产制作中，必须对材料精细化处理，选择高纯极阴铜为主要材料，所有选择标准必须按照GB/T 467极阴铜为准，及时检查铜材料的杂质，杂质元素要求标准以＜0.0065%为标准。待高纯阴极铜材料选定，进入到热烘干环节，烘干温度要求为1150℃，误差要求上下不能超过30℃，热烘干熔化后，随即调整结晶器水压，标准为0.1MPa～0.3MPa，此外还需调整结晶器出水温度控制范围，适当温度范围为30℃～50℃，水温差的控制上下不能超过10℃。连续挤压无氧铜杆生产中，上牵引速度按照生产进度情况将参数设置为500mm/min～1500mm/min，无氧铜杆原料在因为烘干原因，铜液表面有木炭、石墨鳞片等覆盖。

上引连铸生产工序，因无氧铜杆生产需要，在熔化炉、保温炉需增设隔仓部分，借助流沟有效连接熔化炉与保温炉。流沟设置期间，其上限参数对照炉底数值，高出20mm～100mm，此高度差的调整主要作用在于保证铜液均匀流动，为后续生产制作流程的顺利开展做好准备工作。其中隔仓2号设置期间，涉及到连续除气熔炼技术，主要作用是通过表面覆盖木炭等进行氧化还原反应取得理想的除气与脱氧效果。为无氧铜杆生产高质量提供了保证，真正做到了无氧铜杆Cu+Ag含量≥99.99%，含氧量＞0.0005%的标准，并且导电率＞99%IACS，提高生产品质。

连续挤压无氧铜熔炼期间，还涉及到热处理内容，主要涉及两方面，其一是中间退火；其二是退火。选择电加热强对流罩式光亮退火设备，待铜杆挤压成型，以分层处理的方式，归置到耐热不锈钢架，并按照处理要求扣盖钟罩式炉壳。随后根据密封标准，及时抽真空，并同步填充混合气，具体包括氢气、氨气、氮气。退火严格按照加热处理、保温处理与冷却处理流程完成。中间退火处理中温度要求必须控制到250℃～400℃，成品退火温度控制则调整到180℃～250℃。随着温度控制的变化，保温时间均以4h～6h为主，借此有效提高连续挤压无氧铜熔炼质量。

2 连续挤压无氧铜生产工艺原理

连续挤压法原理如图1所示。铜料进入挤压腔后，通过挤压模具，材料原有的铸态组织破碎，产生的大量变形热使材料再结晶，在挤压腔出口处形成超细晶铜合金杆坯。

图1 连续挤压法原理图

在连续挤压过程中会产生组织演变中有明显的铸态组织，晶粒尺寸约为3mm，晶粒粗大，并存在粗大的树枝晶。动态再结晶后的连续挤压组织结构上亚晶、位错等亚组织结构消失，晶粒进一步细化，大小仅为8μm。相对于上引连铸组织，连续挤压法可以有效的破坏铸态组织，接触线晶粒缩小100万倍以上。该工艺能用铜、铜银、铜锡、铜镁合金线坯料生产出细晶尺寸的电力机车接触材料。连续挤压工艺生产出的细晶铜杆坯料再经过轧制、拉拔等冷加工后，晶粒尺寸进一步细化，通过冷加工进一步提升接触线强度。

3 连续挤压无氧铜生产工艺技术参数分析

3.1 上引连挤生产工艺说明

利用工频感应电炉熔化电解铜,按照合金成分配比添加合金元素，通过上引连铸装置引出铜杆后进入连续挤压机进行挤压，生产出规定要求直径的铜、铜银、铜锡、铜镁合金杆坯，后经过轧机和拉拔机冷加工成型生成所需规格的接触线成品。其主要工艺流程如图2所示。

图2 生产工艺流程

3.2 连续挤压铜杆坯

连续挤压铜杆坯以20mm的上引铜杆为原材料，通过连续挤压技术制造的铜杆坯直径达到了32mm。铜杆在经过矫直处理后被送入到压实轮和挤压轮之间。铜杆在摩擦力量的作用下经过直角挤压区、扩展挤压区等变形区域，连续挤压机的转动速度为每分钟3转到10转。铜杆坯挤出模具之后会经过真空防氧化罐管、水槽，同步完成材料的冷却和降温工作，在其温度达到规范的范围时可以使用无芯收卷的方式来实现卷取。使用连续挤压方法生产无氧铜杆的重要特点是拓展性挤压，能够将20mm到30mm的铜杆挤压形成较大的铜杆，拓展比优越。

3.3 轧制工艺

轧制处理使用了高精准度的冷轧机，关联设备包含液压系统、液压弯辊、分段冷却系统、自动化控制装置。轧制道次加工率会被控制在25%到50%，在具体实施操作的时根据不同的产品要求合理安排加工的道次。

3.4 多模拉制接触线成品工艺

为了更好地提高铜合金接触线的质量，我公司在原有的一级五模拉拔机的基础上引进德国接触线专用拉拔机。

首先，通过有高精度的线切割、电火花加工机床和20倍投影仪，对模具进行制做、维修和分析，保证模具设计和尺寸制造精度，满足接触线成型过程的要求，接触线实物图及横截面如图3所示。

图3 接触线实物图及横截面

其次，将铜合金杆坯通过多模拉制成接触线规定的形状、尺寸，并使其物理性能达到规定要求。铜合金接触线通过四个异型模变形设计并冷拉成型，生产的铜合金杆金相组织、晶粒大小更趋均匀，保证接触线在全长度上各种性能数据的分散性少。

然后，采用平直校正技术矫正大长度合金杆的平直度，使产品的平直度达到了德国同类产品的质量水平。

最后，对接触线产品进行检测分析。公司采用了高质量的检测分析手段，如在线探伤、原子吸收检测、机械性能测试等，保证了产品化学成分、物理性能及机械性能检测结果的严谨性。

3.5 排线上盘

铜合金接触线采用收排线装置进行排线上盘。接触线排线上盘前，还要经过校直、精整，进一步抵消和平衡接触线的残余应力，以保证产品的平直度，使接触线在使用过程中提高接触网的受流质量。通过计米器在线计长，涡流探伤仪在线探伤，收盘后取样检测等，确保产品使用的安全可靠性。

4 连续挤压无氧铜杆制造技术发展展望

4.1 改进铜杆直径

上引连续挤压铜杆生产的直径为32mm。为了能够提高生产效率，节省成本的消耗，需要思考如何进一步改进铜杆的直径。在实际操作中，挤出铜杆坯的直径越大，拉拔工序越困难。在实际的生产加工中可以通过优化铜杆直径，优化模具设计，完善拓展区结构的方式来提高挤压杆性能。

4.2 铜杆合金化

现阶段，市场上使用的上引连续挤压铜板技术生产的产品多聚焦于紫铜系列，为了能够更好的顺应电气化铁路接触网用铜的发展需要，可加大对铜合金接触线产品的研发。纯铜接触线和铜银合金接触线的导电性能出色，但抗拉强度性能较低，耐磨性差；铜镁合金接触线、铜锡合金接触线等较多以降低导电性来提高接触线抗拉强度等机械性能，可进一步研究优化铜合金配比，配合优化生产工序来提升铜合金接触线的各项性能。

尤其是铜镁合金接触线在使用中，机械强度优势非常突出，既可以满足机械制造需求，又能够保持超高导电率。基于我国高速电气化铁路发展现状，铜镁合金接触线制造中应用上引连续挤压方法，不仅实现了铜镁合金接触线的产业化生产，更是提升了产品性能。参考铁道行业标准TB/T2809-2005《电气化铁道用铜及铜合金接触线》可以发现，“上引连挤法”应用下，铜镁合金接触线性能明显高出标准参数，并且超出国外同类产品质量，为铁道行业技术指标修改提供了可靠的支持。由此可以看出，铜镁合金接触线研究非常必要。

4.3 高效率低能耗工装模具

在连续挤压技术铜杆直径增加、铜杆合金化发展背景下，人们对工装模具结构和材料加工提出了更高的要求，工装模具的开发和研究能够有效提升连续挤压无氧铜杆的使用寿命，降低产品开发费用。

4.4 连挤连轧技术

连挤连扎技术是连续挤压和轧制在线连接在一起的技术形式，该技术需要对设备实施必要的养护处理，整个操作过程工艺流程短暂、节能环保的特点。连挤连扎技术先对无氧铜杆进行连续挤压，利用挤压铜杆坯的热量实现连续轧制处理。连挤连扎技术融合了上引连铸技术、连续挤压技术、轧制技术等优势，在具体实施操作的时候具有含氧量低、高效节能的特点，同时铜杆坯内部组织会更加紧密，由此会改善连续挤压铜杆坯横向组织不均匀的问题。

5 结语

综上所述，文章探究了连续挤压无氧铜杆制造技术，其融合了无氧铜深度精炼技术、连续挤压铜带坯技术，该技术生产的铜杆坯质量稳定。公司使用结合熔炼工艺、连续挤压无氧铜制造技术、轧制工艺及多模拉拔拉制工艺，在生产电气化铁路用接触线方面取得了阶段性的成果。

目前，传统接触线以纯铜及铜银合金接触线为主，产品导电率较高但抗拉强度性能不足，较多应用于低速铁路；铜镁合金接触线和铜锡合金接触线等牺牲了导电率提高了抗拉强度。

在未来，企业可通过优化铜合金接触线配比，结合优化生产工艺技术，进一步提高电气化铁路用接触线的性能，积极推广连续挤压无氧铜杆技术的创新发展，旨在能够为我国有色金属工业，特别是电气化铁路用铜加工的持续发展做出更大的贡献。